【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對(duì)能源需求的不斷增加,人們對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備和技術(shù)的需求也大大增加,為此科研工作者們?cè)陂_(kāi)發(fā)高效的能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存系統(tǒng)(例如太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器和鋰離子電池)方面做出了巨大的努力。在眾多的儲(chǔ)能設(shè)備中,超級(jí)電容器以其高功率密度、長(zhǎng)的使用壽命、低成本、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),成為可持續(xù)和可再生能源的首要選擇。目前,超級(jí)電容器已經(jīng)在通信、交通、儲(chǔ)能、電子、航空等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從根本上說(shuō),這些系統(tǒng)的性能直接取決于電極材料的性能。過(guò)渡金屬二硫化物具有與石墨烯相似的層狀結(jié)構(gòu),層與層之間通過(guò)范德華力相互作用,具有易剝離,易與其他物質(zhì)相結(jié)合等特性。此外,過(guò)渡金屬硫化物還具有豐富的氧化還原中心、高的理論電容等特性,被認(rèn)為是一種很有應(yīng)用前景的電極材料。然而,采用單一一種過(guò)渡金屬二硫化物作為超級(jí)電容器的電極材料時(shí),仍然存在能量密度低等缺點(diǎn),嚴(yán)重限制了這類(lèi)材料的廣泛應(yīng)用。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是過(guò)渡金屬硫化物的導(dǎo)電性差,而且也很容易發(fā)生團(tuán)聚,其比表面積會(huì)大大降低,這些都大大降低了其在實(shí)際應(yīng)用中的性能。具有不同幾何和能帶排列的異質(zhì)結(jié)納米材料,由于其高質(zhì)量的異質(zhì)界面能實(shí)現(xiàn)有效的電子空穴分離,從而促進(jìn)了電荷的快速轉(zhuǎn)移。因此,設(shè)計(jì)和制備具有理想空間結(jié)構(gòu)和良好導(dǎo)電性的過(guò)渡金屬硫化物異質(zhì)結(jié)納米材料將是提高這類(lèi)材料性能的有效途徑。本論文制備了一系列的基于過(guò)渡金屬硫化物的異質(zhì)結(jié)納米材料,并對(duì)其結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能進(jìn)行表征和測(cè)試。主要研究?jī)?nèi)容包括:(1)采用了簡(jiǎn)單的一步水熱法制備了花狀Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)納米材料,并將其作為高性能超級(jí)電容器的電極材料。在Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)納米材料中,MoS_2納米片與Bi_2S_3納米棒的表面緊密相連,形成優(yōu)越的異質(zhì)界面,有利于電子的快速傳導(dǎo)。另外,以Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)作為一個(gè)單元,組裝成三維花狀納米結(jié)構(gòu),為電化學(xué)過(guò)程中的離子遷移提供了額外的軌跡。作為超級(jí)電容器的電極材料,當(dāng)電流密度為1 A g~(-1)時(shí),比電容達(dá)到3040 F g~(-1),當(dāng)電流密度增加到30 A g~(-1)時(shí),電容保持在1258 F g~(-1)。經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)后,制備的花狀Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)在電流密度為10 A g~(-1)下的電容保留率高達(dá)92.8%,表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)電極材料不僅充分利用了Bi_2S_3納米棒和MoS_2納米片的優(yōu)良的贗電容行為,而且還產(chǎn)生了兩種材料的協(xié)同效應(yīng)。因此,所制備的Bi_2S_3/MoS_2異質(zhì)結(jié)電極材料具有較高的電容和較好的倍率性能,且比單組分樣品具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性。過(guò)渡金屬硫化物之間合理的異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)為高性能電極材料和新一代的電儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了一種新思路。(2)采用簡(jiǎn)單的水熱法合成了三維花狀MoS_2-CoSe_2異質(zhì)結(jié)納米材料。CoSe_2納米片的原位生長(zhǎng)不僅能產(chǎn)生高質(zhì)量的異質(zhì)界面,而且還能形成三維多孔結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)了電子的傳導(dǎo),避免了重排和嚴(yán)重的聚集。由于這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),所制備的三維花狀MoS_2-CoSe_2異質(zhì)結(jié)納米材料展示了優(yōu)異的電化學(xué)性能。在電流密度為1 A g~(-1)的條件下,制備的MoS_2-CoSe_2電極材料的比容量高達(dá)1889 F g~(-1),當(dāng)電流密度增加到20 A g~(-1)時(shí),仍能保持896 F g~(-1)的電容。此外,在電流密度為20 A g~(-1)的情況下,經(jīng)過(guò)5000次循環(huán),電容保留率為91.03%,表明材料可保持良好的循環(huán)穩(wěn)定性。分別以MoS_2-CoSe_2為正、負(fù)電極組裝的水系對(duì)稱電池,在功率密度為800 W kg~(-1)時(shí),具有較高的電壓值(1.6 V)和顯著的能量密度(60.1 W h kg~(-1)),并且具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性(2000次循環(huán)后電容保持率為83.62%)。(3)采用簡(jiǎn)單的水熱法成功的制備了不同質(zhì)量比的Ni(OH)_2-VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料。由于它具有比表面積大、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)以及Ni(OH)_2與VS_2之間的協(xié)同作用,在用作超級(jí)電容器電極材料時(shí),Ni(OH)_2-VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料均表現(xiàn)出比單組分更加優(yōu)異的電化學(xué)性能。當(dāng)Ni(OH)_2與VS_2質(zhì)量比為5:1時(shí),Ni(OH)_2-VS_2異質(zhì)結(jié)電極材料在電流密度為1 A g~(-1)的時(shí),比電容最高可達(dá)到4021 F g~(-1),且在電流密度為5 A g~(-1)下進(jìn)行500次充放電測(cè)試,電容保持率仍在80%以上。采用該方法制備的異質(zhì)結(jié)納米材料具有良好的電化學(xué)性能,且材料價(jià)廉易得具有很好的經(jīng)濟(jì)效益,在超級(jí)電容器中有著廣闊的應(yīng)用前景,使Ni(OH)_2-VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料成為具有吸引力的電極材料。(4)采用在酸性條件下原位聚合法合成PANI/VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料,并研究了苯胺含量的不同對(duì)其電化學(xué)性能的影響,經(jīng)過(guò)條件優(yōu)化后,我們得出,當(dāng)VS_2用量固定為60 mg時(shí)苯胺含量為2.76 mL時(shí),所得PANI/VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料電化學(xué)性能最好。在PANI/VS_2異質(zhì)結(jié)納米材料中,納米線和納米片的組合結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)相對(duì)較短的擴(kuò)散途徑,提高活性物質(zhì)的利用率。電化學(xué)性能研究結(jié)果表明,在電流密度為1 A g~(-1)下,比電容最高達(dá)到2077 F g~(-1),同時(shí)具有良好的循環(huán)性能,在電流密度為5 A g~(-1)時(shí),循環(huán)500次后,比電容保持率為96%,是一種具有實(shí)際應(yīng)用前景的電極材料。
【學(xué)位授予單位】：信陽(yáng)師范學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.1;TM53

【參考文獻(xiàn)】

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1 Nasir Mahmood;Muhammad Tahir;Asif Mahmood;楊文龍;古興興;曹傳寶;張亞文;侯仰龍;;陰離子對(duì)氮摻雜石墨烯修飾金屬雙氫氧化合物結(jié)構(gòu)與贗電容性能的影響（英文）[J];Science China Materials;2015年02期

2 周穎;王道龍;王春雷;金新新;邱介山;;Synthesis of boron, nitrogen co-doped porous carbon from asphaltene for high-performance supercapacitors[J];Chinese Physics B;2014年08期

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本文編號(hào)：2617580